聚丙烯中空纤维膜气体除尘性能

黄益平，张春尧，耿洪鑫，徐义明，王娟，赵雅静，李英栋，李凭力



聚丙烯中空纤维膜气体除尘性能

黄益平1，张春尧2,3，耿洪鑫2，徐义明1，王娟2,3，赵雅静2,3，李英栋2,3，李凭力2,3

（1中建安装工程有限公司，江苏南京210046；2天津大学化工学院，天津300072；3天津市膜科学与海水淡化技术重点实验室，天津300072）

以气体除尘为研究背景，采用平均孔径为0.22 μm的聚丙烯（PP）中空纤维膜为过滤介质，考察了粉尘浓度、过滤气体流速、膜组件装填率、膜壁厚对膜组件除尘性能的影响。结果表明，气体通量随粉尘浓度变化较小，除尘率随粉尘浓度增大而提高、随过滤气体流速增加而减小；气体通量和除尘率均随膜壁厚增大有所增加，并随装填率增加而减小。PP中空纤维膜用于气体除尘其除尘率高达99.9%以上，其中对0.3 μm以上粉尘的截留率均可达到100%，对0.3 μm以下粉尘的除尘率可达99%。

膜；尘埃；气体；聚丙烯；除尘率；PM2.5

引 言

近年来，我国的空气污染越来越严重[1-2]，空气中的可吸入颗粒物特别是细颗粒物，是其中最为严重的污染物，它所引起的雾霾对经济发展和人民生活产生了重大影响，因此空气质量受到了越来越广泛的关注。PM2.5是衡量空气质量的重要指标，其含义是指空气动力学直径小于等于2.5 µm的可吸入颗粒，其主要成分是大气气溶胶、水溶性有机化合物（WSOC）、挥发性有机化合物(SVOC)、颗粒物等物质，其中颗粒物含量最高[3-6]。PM2.5及其提取物进入人体可引发呼吸系统和心血管系统等多种疾病[7-10]。Zhang等[11]的研究显示PM2.5中含有很多金属污染物，如铅、锌、铜、镉、铬等，严重影响人体健康。Happo等[12]的研究结果也显示环境空气颗粒物（PM）以及室内空气中的微生物污染会对人体健康产生恶劣的影响，不仅容易引发炎症和细胞毒性，还呈现出季节性变化的规律。2012年我国颁布了GB 3095—2012《环境空气质量标准》[13]，根据这一规定，PM2.5年平均一级浓度为15 μg·m-3，年平均二级浓度为35 μg·m-3，该标准自2016年1月1日起在全国实施。因此，需要大力发展空气污染防治技术来降低可吸入颗粒物浓度，改善空气质量，减小有害微粒对人类健康的影响。

目前为止，市场上常见的吸附、过滤、吸收等空气净化技术主要依靠活性纤维、石棉等脱除空气中的细微粒子，但这些技术难以有效去除粒径为0.1～2.0 μm的颗粒物，而且过滤或吸附材料容易达到吸附饱和，需要及时更换，因此成本较高，难以普及[14-16]。生产上常用的旋风分离器也存在除尘效率不高且对小粒径微粒捕集率不高的缺点；静电除尘器虽然除尘效率相对较高，但是对安装和管理技术要求很高，而且除尘效率受气体温度和湿度等操作条件影响很大[17-21]。与这些技术相比，膜分离技术具有过滤效果好、设备简单、压降小、能耗低的优点，使其在空气净化领域的应用越来越广泛。其中有机膜分离可脱出空气中的气溶胶、细菌等固态颗粒物，还具有良好的微生物稳定性，在食品、药品行业以及气体除尘领域显示出极大的优越性[16-17,22-23]。

本工作主要研究常温下聚丙烯（PP）中空纤维膜的气体除尘性能，考察其对于空气中的可吸入颗粒物（主要是PM2.5和PM10颗粒）的去除能力，并以石粉为模拟粉尘考察过滤操作中流速条件以及装填率、膜丝内外径尺寸等膜组件参数对膜渗透性能的影响，为PP中空纤维膜在气体除尘领域的应用提供参考。

1 实验材料和方法

1.1 实验材料

实验所用的PP中空纤维膜采用本实验室利用热致相法制备的PP中空纤维膜[24]，孔隙率和平均孔径由孔隙度仪(库尔特气孔计Ⅱ)测得。所制作的膜组件参数见表1。

表1 膜组件参数

1.2 粉尘性质

本实验所选用粉尘为石粉，粉尘的结构形态如图1所示。利用BT-2003型激光粒度分布仪测定粒度分布，结果如图2所示。由图2可知，粉尘中粒径为2.412 μm，粉尘中0.3 μm以下颗粒含量为1.8%、2.5 μm以下颗粒含量为50.8%。实验开始前，将粉尘于100℃干燥箱中干燥12 h，备用。

1.3 实验装置及方法

实验流程如图3所示，PP中空纤维膜气固分离装置采用终端过滤模式。过滤操作开始时，空气经空气压缩机压缩后进入空气稳压罐。空气稳压罐内气体达到一定压力后，打开阀门，使空气通过稳压阀进入粉尘罐底部。携带粉尘的空气经过粉尘测量仪检测，经转子流量计测量流量、U形管压差计测量进气压力后，进入PP中空纤维膜组件进行过滤。过滤后的渗透侧气体经U形管压差计测量出口气体压力、转子流量计测量流量后，经粉尘测量仪检测含尘量，最后进入室内环境。

2 结果与讨论

2.1 不同粒径分布对PP中空纤维膜除尘效果的影响

在28℃、空气湿度为50.1% RH时考察了组件对粉尘的过滤效果。本实验除尘率采用分级除尘率计算，按粒径分为3个级别：0.3 μm以下、0.3～2.5μm和2.5 μm以上。

=(1-2)/1(1)

式中，为过滤效率，1、2分别为过滤器进、出口气流含尘浓度(mg·m-3)。

以各粒径的分级效率表示

=11+22+…+ηn(2)

式中，1～η代表各粒径的分级效率，以小数表示；1～n代表各粒径微粒含量占全体微粒的比例，以小数表示。

实验所得结果如图4所示。可以看出，随着实验时间的增加，除尘率在10～30 min之内不稳定，在40 min之后趋于稳定；组件对0.3 μm以上的粉尘全部截流，分级除尘率为100%，0.3 μm以下的微粒仍有很高的过滤效果，这使得总除尘率高达99.64%以上。这是因为热致相法所制得的中空纤维膜的孔径分布比较均匀[24-25]，而且膜性能稳定。本实验研究所有组件对0.3 μm以上的粉尘全部截流，所以以下涉及的气体除尘率均为0.3 μm以下的分级气体除尘率。

2.2 粉尘浓度对PP中空纤维膜除尘率及气体通量的影响

在28℃、空气湿度为35.4% RH时考察了不同粉尘浓度对膜组件除尘率的影响。流量为200 L·h-1的条件下采用膜组件为组件3，具体参数见表1，考察了不同粉尘浓度对膜组件除尘率的影响，结果如图5所示。可以看出除尘率随时间变化的关系与图4相似，随粉尘浓度增大除尘效果有明显上升，而气体通量随时间无明显变化。这是因为膜过滤主要作用属于表面过滤[26-27]，从电镜照片（图6）可以看出粉尘粒子几乎不能进入膜孔而堵塞通道，膜的表面非常光滑、摩擦系数小、没有纤维绒毛，当形成较厚的粉尘层时因受质量影响而脱落，确保了其透气量和过滤的效果。而当颗粒粒径小于1 mm时，颗粒容易发生团聚现象[28]，此时黏性力将超过重力成为主导颗粒运动的主要作用力。颗粒在van der Waals力等力的作用下运动碰撞，会发生凝聚现象，而粉尘浓度的增加会提高颗粒密度，增大碰撞机会，因此除尘率增大。

2.3 气体流速对PP中空纤维膜除尘率的影响

在28℃、空气湿度为34.7% RH时考察了相同组件在气体流速不同情况下对膜组件除尘率的影响，结果如图7所示。可以看出除尘率随时间变化的关系与图4相似，而且3个组件在组件相同的情况下流速增大过滤效果下降。这主要是由于，流速增大，颗粒的撞击力度增大，更容易发生弹性碰撞。相反，流速小，发生非弹性碰撞的概率大，颗粒更容易团聚，当颗粒因团聚形成大颗粒物时更易去除，因此气体流速的增加降低了组件的除尘效果。

2.4 膜壁厚对PP中空纤维膜除尘率及气体通量的影响

在28℃、空气湿度为34.4% RH时考察了不同内外径尺寸的PP中空纤维膜膜丝在相同装填率下对膜组件除尘率及气体通量的影响，结果如图8所示。由图可知除尘率和气体通量与时间的关系与图5相似，在200、300、400 L·h-1时组件1的除尘率以及气体通量均低于组件3，由此可以看出内径相同、外径不同、膜壁越厚的膜丝过滤效果更好且气体通量更大。这主要是因为，膜壁越厚，支撑作用越大，抗压力越强，在相同流速下颗粒被拦截的可能性更高。

膜壁厚增加，在相同流速下改变了膜组件的压力降，利用Hagen-Poiseuille方程[29]描述通过这些孔的体积通量，假设所有孔径相同，则

由图9可以看出，随着流量的增加，阻力降Δ明显增大，而且壁厚不同的组件1与组件3之间的压力降差别较大，根据Hagen-Poiseuille方程计算结果可知膜壁较厚的组件3的气体通量大于组件1的气体通量，与实验结果相同。

2.5 装填率对除尘率及气体通量的影响

在28℃、空气湿度为34.4% RH时考察了膜丝内外径相同、组件装填率不同对除尘效率以及气体通量的影响，结果如图10所示，图中除尘率和气体通量与时间的关系与图5相似。由图可知，在200、300、400 L·h-1时装填率高的组件其除尘效率以及气体通量反而低。这是由于，装填率增大，膜的比表面积和有效膜面积都增大，粉尘颗粒可选择膜孔通道增多，最大孔的孔径通道增多，更易通过膜孔进入组件壳层。而由于膜丝根数的增加，气体通过膜丝的阻力增大，有效膜面积增大，所以气体通量减小。

2.6 过滤压力降与时间的关系

在28℃、空气湿度为44.2% RH时，在进气流量为400 L·h-1的条件下考察组件2的压力降与时间的关系，如图11所示。可以看出压力降随时间的变化较小。压力降主要是因为膜内阻力产生，由图可以看出压力降随过滤时间延长缓慢上升，这说明过滤时进入膜孔内通道的微粒较少。

2.7 气体的进气速度与压力降的关系

含尘气体膜过滤时，过滤的气速越高，膜两侧所需要的工作压力越大，因此考察工作压力与流量的关系可以预测不同过滤气速所需的工作压力。利用组件3进行了实验，工作压力与过滤气速的关系如图12（a）所示，压力降与过滤气速之间的关系如图12（b）所示。工作压力与气速之间的回归公式为：=176.46+176.46，=0.99。压力降与气速之间的回归公式为：D=149.5+52.29，=0.98。由此可以看出，膜过滤装置运行时工作压力与过滤气速的关系满足达西定律，即线性渗透定律。随着膜过滤时工作压力的增加，气体通过膜体时的流量呈直线上升。

3 结 论

（1）膜组件对0.3 μm以上的粉尘全部截流，除尘率为100%，对0.3 μm以下的微粒仍有很高的过滤效果，这使得初始总气体除尘率高达99.64%以上。

（2）气体通量随粉尘浓度增大无明显变化；随着膜壁厚度的增加，气体通量增大；随着装填率的增大，气体通量反而降低。

（3）除尘效果随粉尘浓度增大而明显上升；在组件相同的情况下，流速增大，除尘效果下降；随着膜壁厚度的增加，除尘效率增大；装填率高的组件，其除尘效率反而低。

（4）进气流量为400 L·h-1的条件下，阻力降随时间的变化较小，随过滤时间延长而缓慢上升；膜过滤装置运行时，工作压力与过滤气速的关系满足达西定律，即线性渗透定律。随着膜过滤时工作压力的增加，气体通过膜体时的流量呈直线上升。

符 号 说 明

J——气体通量，m3·m-2·h-1 JM1, JM2, JM3——分别为膜组件1、2、3的气体通量，m3·m-2·h-1 N1, N2——分别为过滤器进、出口气流含尘浓度，mg·m-3 n1, n2,…, nn——各粒径微粒含量占全体微粒的比例 p——工作压力，Pa Dp——压力降，Pa U——气体流速，m·s-1或L·h-1 η——气体除尘率，% ηM1, ηM2, ηM3——分别为膜组件1、2、3的气体除尘率，% η1, η2,…,ηn——各粒径分级效率

References

[1] JI D S, WANG Y S, WANG L L,. Analysis of heavy pollution episodes in selected cities of northern China[J]. Atmospheric Environment, 2012, 50: 338-348.

[2] MA J Z, XU X B, ZHAO C S,. A review of atmospheric chemistry research in China: photochemical smog, haze pollution, and gas-aerosol interactions[J]. Advances in Atmospheric Sciences, 2012, 29(5): 1006-1026.

[3] LI Q F, WANG-LI L J, LIU Z F,. Major ionic compositions of fine particulate matter in an animal feeding operation facility and its vicinity[J]. Journal of Air & Waste Management Association, 2014, 64(11): 1278-1287.

[4] ALIER M, OSTO M D, LIN Y H,. On the origin of water-soluble organic tracer compounds in fine aerosols in two cities: the case of Los Angeles and Barcelona[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2014, 21(20): 11649-11660.

[5] XIE M J, HANNIGAN M P, BARSANTI K C. Gas/particle partitioning of-alkanes, PAHs and oxygenated PAHs in urban Denver[J]. Atmospheric Environment, 2014, 95: 355-362.

[6] DALL’OSTO M, HELLEBUST S, HEALY R M,. Apportionment of urban aerosol sources in Cork (Ireland) by synergistic measurement techniques[J]. Science of Total Environment, 2014, 493: 197-208.

[7] NIKASINOVIC L, JUST J, SAHRAOUI F,. Nasal inflammation and personal exposure to fine particles PM2.5 in asthmatic children[J]. Journal of Allergy and Clinical Immunology, 2006, 117(6): 1382-1388.

[8] MORGENSTERN V, ZUTAVERN A, CYRYS J,. Respiratory health and individual estimated exposure to traffic-related air pollutants in a cohort of young children[J]. Journal of Occupational and Environmental Medicine, 2007, 64(1): 8-16.

[9] LI J, GAO F, LIU L Q,. Needleless electro-spun nanofibers used for filtration of small particles[J]. Express Polymer Letters, 2013, 7(8): 683-689.

[10] DE HARTOG J J, LANKI T, TIMONEN K L,. Associations between PM2.5 and heart rate variability are modified by particle composition and beta-blocker use in patients with coronary heart disease[J]. Environmental Health Perspectives, 2009, 117(1): 105-111.

[11] ZHANG L Y, FU C, YANG F M,. Determination of metal elements in PM2.5 by ICP-OES with microwave digestion[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2014, 34(11): 3109-3112.

[12] HAPPO M, MARKKANEN A, MARKKANEN P,. Seasonal variation in the toxicological properties of size-segregated indoor and outdoor air particulate matter[J]. Toxicology in Vitro, 2013, 27(5): 1550-1561.

[13] 中华人民共和国环境保护部, 国家质量监督检验检疫总局. 环境空气质量标准: GB 3095-2012[S]. 北京: 中国标准出版社, 2012. Environmental Protection Department of the People’s Republic of China, General Administration of Quality Supervision, Inspection and Quarantine. Environmental Air Quality Standards: GB 3095—2012 [S]. Beijing: China Standard Publishing House, 2012.

[14] RADOVIC L R, SILVA I F, UME J I,. An experimental and theoretical study of the adsorption of aromatics possessing electron-withdrawing and electron-donating functional groups by chemically modified activated carbon[J]. Carbon, 1997, 35(9): 1339-1348.

[15] PARK S J, JUNG W Y. KOH activation and characterization of glass fibers-supported phenolic resin[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 2003, 265(2): 245-250.

[16] 仲兆祥, 李鑫, 邢卫红, 等. 多孔陶瓷膜气体除尘性能研究[J]. 环境科学与技术, 2013, 36(6): 155-158. ZHONG Z X, LI X, XING W H,. Performance of porous ceramic membrane used for dust collection[J]. Environmental Science and Technology, 2013, 36(6): 155-158.

[17] 陈孝云. 空气污染治理技术研究进展[J]. 科学技术与工程, 2008, 8(17): 4939-4952. CHEN X Y. Development of the techniques on the resolution of air pollution[J]. Science Technology and Engineering, 2008, 8(17): 4939-4952.

[18] DARCOVICH K, JONASSON K A, CAPES C E. Developments in the control of fine particulate air emissions[J]. Advanced Powder Technology, 1997, 8(3): 179-215.

[19] 刘江红, 潘洋. 除尘技术研究进展[J]. 辽宁化工, 2010, 39(5): 511-513. LIU J H, PAN Y. Research progress in dedusting technology[J]. Liaoning Chemical Industry, 2010, 39(5): 511-513.

[20] 金小峰, 王恩禄, 王长普. 各种除尘技术性能比较及袋式除尘器在我国的应用前景[J]. 锅炉技术, 2007, 38(1): 8-12. JIN X F, WANG E L, WANG C P. The analysis of the performances of all the de-dust technologies and the application prosperity of the bag filter in the coal fired utility boilers[J]. Boiler Technology, 2007, 38(1): 8-12.

[21] 黄亿苹, 李伟曼, 刘海弟, 等. 新型低气阻高效除尘器的研究与应用[J]. 环境工程学报, 2015, 9(3): 1337-1342. HUANG Y P, LI W M, LIU H D,. Research and application of a unique precipitator with high efficiency and low pressure drop[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2015, 9(3): 1337-1342.

[22] 雷国元, 余雄奎, 刘巍, 等. 无机陶瓷膜去除废气中微尘的试验研究[J]. 武汉科技大学学报(自然科学版), 2007, 30(4): 376-378. LEI G Y, YU X K, LIU W,. Experimental study of dust removal from waste gas by ceramic membrane[J]. Journal of Wuhan University of Science and Technology(Natural Science Edition), 2007, 30(4): 376-378.

[23] Scott K. Handbook of Industrial Membranes[M]. Oxford, UK: Elsevier, 1995.

[24] WU H Y, LI L, LI P L,. Effects of air-cooling on skin cells of hollow-fiber membranes preparedthermally induced phase separation[J]. Polymer Engineering and Science, 2015, 55(7): 1661-1670.

[25] LIN L, GENG H X, AN Y X,. Preparation and properties of PVDF hollow fiber membrane for desalination using air gap membrane distillation[J]. Desalination, 2015, 367: 145-153.

[26] 郑春玲. 聚四氟乙烯覆膜滤料的特性与应用[J]. 工业安全与环保, 2006, 32(5): 29-31. ZHENG C L.Characteristics of PTFE microporous membrane filter material and its application[J]. Industrial Safety and Environmental Protection, 2006, 32(5): 29-31.

[27] 徐东, 朱春来, 翟玲娟, 等. 一种新型复合空气过滤材料的研究进展[J]. 舰船防化, 2013, (1): 26-28. XU D, ZHU C L, ZHAI L J,. Study progress on new type composite air filter material[J]. Chemical Defence on Ships, 2013, (1): 26-28.

[28] 张文斌, 祁海鹰, 由长福, 等. 碰撞诱发颗粒团聚及破碎的力学分析[J]. 清华大学学报(自然科学版), 2002, 42(12): 1639-1643. ZHANG W B, QI H Y, YOU C F,. Mechanical analysis of agglomeration and fragmentation of particles during collisions[J]. Journal of Tsinghua University (Science and Technology), 2002, 42(12): 1639-1643.

[29] MARCEL M. 膜技术基本原理[M]. 李琳, 译. 2版. 北京: 清华大学出版社, 1999: 146. MULDER M. Basic Principles of Membrane Technology[M]. LI L, trans. 2nd ed. Beijing: Tsinghua University Press, 1999: 146.

Performance of polypropylene hollow fiber membrane module for dust removal

HUANG Yiping1, ZHANG Chunyao2,3, GENG Hongxin2, XU Yiming1, WANG Juan2,3, ZHAO Yajing2,3, LI Yingdong2,3, LI Pingli2,3

(1Building Installation Engineering Co., Ltd. Technology Center, Nanjing 210046, Jiangsu, China;2School of Chemical Engineering and Technology, Tianjin University, Tianjin 300072, China;3Tianjin Key Laboratory of Membrane Science and Seawater Desalination Technology,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

Poly propylene (PP) hollow fiber membrane with an average pore size of 0.22 μm was used to purify the dusty gas. Effects of operating conditions such as dust concentration, gas flow rate, the filling ratio of membrane module, membrane thickness on the performances ofmembrane module dust removal were investigated systematically. The results showed that membrane permeability had no obvious change with the concentration of dust in the gas, while rejection coefficient of dust removal increased with an increase in dust concentration, and decreased with an increase in gas flow rate. Both the membrane permeability and rejection coefficient increased with increase in membrane thickness, and decreased with the increase in filling ratio. The rejection coefficient of PP membrane could reach up to 99.9%. When the size of dust is above 0.3 μm, the rejection coefficient could reach 100%, and when it is below 0.3 μm, the rejection coefficient could also reach 99%.

membranes; dust; gas; polypropylene; particle rejection efficiency; PM2.5

2016-03-01.

10.11949/j.issn.0438-1157.20160225

TQ 028.8

A

0438—1157（2016）10—4231—09

2016-03-01收到初稿，2016-06-21收到修改稿。

联系人：李英栋。第一作者：黄益平（1985—），男，博士。

LI Yingdong, yingdong.li@tju.edu.cn